物理学家热衷于寻找新粒子，但大型强子对撞机等设备都没有成功的迹象。现在，我们找到了一种新方法，或许能进入原先隐藏起来的部分现实。
15年前，大型强子对撞机（LHC）开始不断对撞各种粒子。自那之后，成千上万的研究人员为了解释暗物质等宇宙谜团在LHC的碰撞过程中寻找新的物理证据。我也是这个队伍中的一员。2012年，LHC发现了希格斯玻色子，夯实了标准模型的基石，而标准模型正是目前我们描述基本粒子及其运作原理的最佳理论。然而，尽管物理学家对LHC期待甚高，但至少到目前为止，它还没有打开全新物理学的大门。
这并不必然意味着绝望。实际上，LHC现在就可能在产生新粒子，只不过因为它们极为罕见、很难探测或者淹没在了海量的碰撞碎片中，所以我们才没有注意到。如果事实确实是这样，那么未来十年内计划中的一次重大升级便有可能让LHC揭示这些新粒子的真面容。
不过，我们也同样必须正面一种更为棘手的解释：即便是全世界最强大的对撞机，也无法产生我们正在寻找的粒子。如果实际情况是这样，那么我们可能就得再等上几十年，期待功能更为强大的对撞机问世。
然而，德国慕尼黑工业大学的理论物理学家安杰伊 · 布拉斯（Andrzej Buras）并不打算等那么久。如今已78岁高龄的他正在号召领域内的物理学家秉持这样一种信念：我们完全可以打开一扇后门，通往一片更为广阔的世界，远远超出LHC能给予我们的馈赠。布拉斯称这个存在于10-21米尺度上的世界为“仄宇宙”，因为他猜测物理学家寻找已久的新粒子就藏在这个尺度上。最让我感到兴奋的是，我们最近已经开始叩响这个世界的大门了。
就目前来说，标准粒子模型最接近万物理论，这个模型描述了所有已知的基本粒子和力——只有一个例外，那就是引力。标准粒子模型经受住了我们的每一项实验考验，而且准确度多少令人有些发狂。之所以用“发狂”这个词，是因为我们明确知晓标准粒子模型并不完备，可它却又那么吻合实验结果。
一个十分突出的问题是，标准粒子模型解释不了暗物质的存在。暗物质是一种不可见的物质，其引力的拉拽效应塑造了这个宇宙。另外，这个模型也无法解释我们观察到的基本粒子的特殊模式——它们意味着某种更深层级的结构。
这就是为什么理论物理学家确信，标准粒子模型远不是对粒子物理学的盖棺论定，一定还有我们没有发现的新基本粒子。另外，由于欧洲核子研究中心（CERN）粒子物理实验室的LHC目前在这方面还没有什么成绩，物理学家决心为了一睹这些粒子的真容而寻找新的方法。这就是布拉斯的这扇“后门”如此有诱惑力的原因。
要理解为什么这扇后门存在以及我们怎样才能步入这扇门后的世界，就必须先知晓一些粒子物理学的基本知识。第一条是，对撞机在探测碰撞产生的高能量的同时还能探测极为微小的距离。
为什么粒子对撞机就像显微镜
我们通常根据LHC能够用于加速粒子的最大能量来描述其性能范围：对撞机给碰撞过程提供的能量越高，就可能产生越重的新粒子，因为能量会转换成质量。不过，还有另一种看待对撞机的方式：把这种装置看作超大尺寸的显微镜，能够在极短的距离尺度上探测现实的基本组成部分。
这是因为，在粒子领域，能量与距离之间呈反比关系。举例来说，量子理论告诉我们，电子、光子同时表现得像波。当粒子被加速到高能量时，它们的波长会变得越来越短，这意味着这些粒子变成了可以让我们“看到”远小于原子尺度景象的探测器。
LHC能够把质子加速到接近7万亿电子伏特的高能状态，这意味着，我们能借助如此高能的粒子深入大约50仄米尺度的微观世界。这是一个小到难以想象的距离，甚至只是原子尺度的几百亿分之一（参见图“仄宇宙之下”）。问题在于，如果全新物理学的世界位于LHC分辨率极限之下，那么我们就发现不了——至少不能仅凭LHC直接发现。
第二条你需要知道的基本物理学知识是，存在于小距离尺度上的大质量粒子可以影响大距离尺度上的小质量粒子行为。这是因为量子场理论告诉我们，真正基本的不是粒子本身，而是量子场中的振动——量子场始终存在，类似流体物质而且充满整个宇宙，只不过我们看不见。按照量子场理论描绘的这幅图景，粒子就像宇宙海洋中的涟漪，即便这片海洋中没有一丝波纹——不存在任何粒子——与粒子联系紧密的量子场也始终存在。
因此，即便新粒子小到LHC无法分辨，其量子场也仍旧可以在更大尺度上产生持续作用，影响更大尺度上的粒子行为模式。最为重要的是，这意味着只要能精确测量现有粒子加速器中每天都在生产的粒子，就可能揭示我们并不能直接观察到的新粒子的行为。
关键在于挑选一个与已知粒子有关的过程，而且我们要相信这些粒子对新量子场的存在特别敏感。一般来说，这样的目标会是碰撞过程中产生的重粒子转变成轻粒子时的衰变过程。大多数不稳定粒子可以以许多种方式衰变，只是其中某些衰变发生的概率高过其他。恰恰是最为少见的那些衰变过程——按照现在的预测，大概是每十亿个粒子才会出现几例这类衰变——对新量子场最为敏感。如果一切顺利，那么无论标准粒子模型之外的物理理论究竟是什么，这样的过程就是我们触碰它们的路径。
毫无疑问，这条路线的原理足够简单。首先，理论物理学家得根据标准粒子模型精准预测这些罕见衰变（至少其中一类）的发生频率。接着，实验物理学家借助LHC以及其他粒子加速器的实验数据，以最高精度测量这些衰变的发生率。理论结果和实验结果之间的任何显著差异便是新粒子存在的间接证据。
原理是原理，实际操作起来，以如此高的精准程度研究衰变率其实非常烦琐。尤其棘手的是处理量子色动力学效应的影响。量子色动力学描述了夸克（构成原子核）和胶子（夸克通过强核力结合在一起，而强核力的载体就是胶子）之间的相互作用。量子色动力学效应出了名地难计算，因此，许多涉及夸克的罕见衰变很难可靠预测。不过，如果我们能睿智地选择衰变过程，便有可能把结果的不确定性最小化，因而有望探测到宇宙回声。7种符合条件的衰变全都是极为罕见的衰变，涉及相当少见的夸克：奇异夸克或底夸克。
这些衰变之所以如此罕见，是因为在标准粒子模型中，从初始粒子到衰变产物，需要经过数种质量极大的中间粒子构成的复杂混合物。这些中间粒子的特征长度尺度比初始状态粒子和最终状态粒子都要短得多。也正是因为这样，这7类衰变才脱颖而出，它们最有潜力引领我们观察到全新的物理现象，且全球各地都已经开始相关的实验了。
为了实现这个目标，布拉斯与目前在意大利的里雅斯特国际高等研究院工作的埃林纳 · 文图里尼（Elena Venturini）共同起草了一张主要调查目标清单，并称之为“至关重要的7种衰变”。
这7种衰变中有数种是B介子衰变。B介子是由不同种类的夸克组成的复合粒子。我在大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）中参与领导了一支团队，研究B介子衰变成μ子和反μ子的过程。μ子是更重版本的电子，并且不与夸克或胶子发生相互作用，因而B介子衰变理论上相当“干净”。同时，它们也相当罕见，每十亿个B介子才能发生数次B介子衰变。
无论是LHCb之前的研究还是LHC的两个良性竞争对手紧凑μ子线圈实验（CMS）和超环面仪器实验（ATLAS），到目前为止都相当吻合标准粒子模型的理论预言。不过，随着测量精度的不断上升，这些粒子对撞机中仍有可能出现全新物理学的蛛丝马迹。LHCb最近刚完成了一次重大升级，使我们收集实验数据的速度提升了足足五倍。我们现在正快速积累碰撞产生的新B介子样本的庞大数据。以此为基础，我们很快便能以前所未有的精确度得到实验结果。同时，随着统计不确定性的不断缩小，新粒子的影响有可能浮现。
2023年，在世界的另一端，日本的“贝尔Ⅱ”实验得到了7种至关重要衰变中的另一种衰变（B介子衰变成一种叫作K介子的粒子和两个中微子）的证据。和我们在LHCb中测量的μ子衰变一样，这种衰变也相当干净，只不过其原因与中微子的存在相关。
就LHCb的μ子衰变来说，最终状态产物中中微子的存在减少了那些令人烦恼的理论不确定性。有意思的是，“贝尔Ⅱ”实验测量得到的衰变速率多少要比标准粒子模型的预测高一些，只不过这些证据还不够充分，远没到开香槟庆祝的程度。
不过，能引领我们步入仄宇宙最深处的是含有奇异夸克的粒子的衰变，尤其是布拉斯和文图里尼在至关重要的7种衰变中着重强调的3类K介子衰变，它们都涉及一个奇异夸克和一个反夸克。物理学家利用这些罕见的衰变在距离和能量两个维度都远超对撞机（哪怕是规划中最为强大的未来超级对撞机）的条件下探索物理学的最前沿。而且，我们确实已经在这个领域内发现了一些理论预期和实验测量之间的令人兴奋的差异。
这些差异源自欧洲核子研究中心的另一项规模较小的实验NA62。在这项实验中，质子猛烈撞击目标，产生包括K介子在内的大量奇异粒子。NA62探测器从2015年开始投入运行，主要任务是寻找一种极为罕见的情况，即K介子衰变成另一种称为π介子的带电粒子，外加两个中微子。在物理学上，中微子出了名地神秘，因为它们几乎不与普通物质发生相互作用，因而几乎完全无法探测。因此，NA62寻找的是似乎已经转化为π介子的K介子，最为关键的是要消除会错失最终状态粒子的任何其他过程。
欧洲核子研究中心的NA62实验有可能帮助我们找到仄宇宙粒子的相关证据
2024年9月，NA62宣布首次观测到这种相当罕见的衰变——大约每100亿个K介子发生一次。这种衰变不仅是我们到目前为止见过的最稀有的衰变，而且其衰变率比标准粒子模型的预测大约高50%。
不过，现在下结论还为时尚早，毕竟测量结果的不确定性还是太高，不足以让我们确信它意味着全新的物理学而不只是统计学上的昙花一现。
饶是如此，对这种衰变的研究确实意味着我们已经开始打开通往仄宇宙的大门。我们现在要做的就是走到门内，开始四处看看瞧瞧。具体做法就是收集这种衰变的更精确测量数据，而且我们现在有了一条好消息：NA62将在未来几年内继续为我们收集这种衰变的数据。不那么走运的是，等到几年之后，NA62得为一项最近批准的新实验让路。虽然在那个时间点之前收集的额外数据可能会强化当下微弱的新物理学线索，但不太可能是决定性的。
这一切会给我们留下什么？我们有理由乐观地认为，在未来几年内便能看到新物理学的某些线索。LHCb升级后记录了大量新数据，欧洲核子研究中心和日本的相关实验也必然会做进一步测量，当下我们已经掌握的某些信号未来很可能会得到巩固。
通往新物理学世界的路标不可能很快出现。根据欧洲科学界为LHC的继任者制定的长期愿景，粒子物理学当下正处于一个转折点。如果我们打算继续探索自然的最基本运作法则，那么下一代研究机器必不可少，但建造这样的机器会是一项艰巨的任务——无论是科学上、技术上，还是政治上，最后一点或许才是关键。
资料来源 New Scientist
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本文作者哈里·克里夫（Harry Cliff）是英国剑桥大学粒子物理学家
